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Origami mit DNA neue Entwicklungen.

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DOI: 10.1002/ange.200904802
DNA-Nanotechnologie
Origami mit DNA: neue Entwicklungen
lvaro Somoza*
DNA · Nanostrukturen · Nanotechnologie ·
Oligonucleotide · Selbstorganisation
M
it DNA knnen in der Nanotechnologie Strukturen verbunden oder funktionalisiert werden, z. B. Goldnanopartikel,[1] Quantenpunkte[2] oder einwandige Kohlenstoffnanorhren.[3] Außerdem lassen sich Nanostrukturen aufbauen,
die ausschließlich aus DNA bestehen.[4] Pionierarbeit auf
diesem Feld wurde von Seeman geleistet,[5] und inzwischen ist
es gelungen, zwei-[6] und dreidimensionale Strukturen[7] aus
mehreren kurzen DNA-Strngen zusammenzufgen.
Grundlagen dafr sind die Selbstorganisation von DNAStrngen (die durch die Basenkomplementaritt gesteuert
wird) und die unterschiedlichen Strukturmerkmale einzelund doppelstrngiger DNA: Einzelstrngige DNA ist flexibel
und kann leicht gebogen werden, kurze Sequenzen doppelstrngiger DNA sind dagegen steif und gerade. Diese Eigenschaften wurden genutzt, um kurze DNA-Sequenzen zu
entwerfen, die sich unter geeigneten Temperbedingungen zu
starren Strukturen selbstorganisieren.
Ein anderer Ansatz zur Herstellung von 2D-Strukturen
wird DNA-Origami genannt; damit lsst sich DNA gezielt in
fast jede Form bringen.[8] Dies erfordert einen langen Gerststrang aus einer einzelstrngigen gefalteten DNA und
mehrere kurze Sequenzen, die als „Klammern“ den langen
DNA-Strang in die gewnschte Form bringen. Diese Klammersequenzen werden so konstruiert, dass sie ber komplementre Basen verschiedene Regionen des Gerststrangs
binden. So werden mehrere doppelstrngige DNA-Regionen
erzeugt, was die gewnschte starre 2D-Struktur zur Folge hat
(Abbildung 1). Mit diesem Ansatz wurden bereits mehrere
Formen erzeugt, darunter Rechtecke, Sterne und Smileys. Zu
anderen wichtigen Beitrgen zhlen die Herstellung von
Nanorhren,[9] DNA-Mikroarray-Chips[10] und delphinfrmigen DNA-Strukturen.[11]
Die Gruppe um William M. Shih an der Harvard University berichtete krzlich von zwei Durchbrchen auf diesem
Gebiet. Es gelang ihr nicht nur, mit der Origami-Strategie
3D-Formen aufzubauen,[12] sondern sie konnte auch DNABndel gezielt verdrillen und biegen.[13]
Die Konstruktion von DNA-Origami war auf zwei Dimensionen beschrnkt, bis vor kurzem die ersten 3D-Strukturen beschrieben wurden.[9, 12, 14] Die Herstellung einer DNASchachtel ist ein herausragendes Beispiel.[14] Shih et al. haben
[*] Dr. . Somoza
IMDEA-Nanociencia
28049, Madrid (Spanien)
Fax: (+ 34) 914-976-855
E-Mail: alvaro.somoza@imdea.org
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Abbildung 1. Herstellung eines DNA-Origami. Das Tempern des langen Gerststrangs mit den Klammersequenzen liefert wegen der gnstigen Wechselwirkungen zwischen komplementren Sequenzen eine
selbstorganisierte Struktur. Abhngig von der Art der Sequenzen kann
eine Vielzahl an Formen erzeugt werden.
nun eine vielseitige Methode zur Herstellung von 3D-Formen
vorgestellt.[12] Schlsselschritt ist der Einsatz von Klammersequenzen, die an spezifischen Positionen Holliday-Strukturen bilden. Zunchst entsteht mithilfe der Klammersequenzen das 2D-Origami. Dann wird eine Neufaltung unter Ausbildung der Holliday-Strukturen erzwungen, die wabenfrmige dreidimensionale DNA-Strukturen liefert. Die Position
der Holliday-Strukturen bestimmt die endgltige 3D-Architektur. Wenn die Verknpfungspunkte im Abstand von
7 Basenpaaren (bp) entlang der doppelstrngigen DNA
platziert werden, befinden sich drei solcher Punkte innerhalb
einer Sequenz von 21 Basenpaaren. Da eine vollstndige
Windung (3608) in einer DNA-B-Helix 10.5 bp erfordert, sind
die Verknpfungspunkte in einer Helix um 1208 gegeneinander verdreht. Daher ermglicht diese Anordnung die Bildung von Holliday-Strukturen mit drei benachbarten DNADuplexen (Abbildung 2).
Shih et al. bauten diese Verknpfungen an spezifischen
Positionen ein oder entfernten sie von dort und erhielten so
mehrere 3D-Strukturen, z. B. einen Monolith, eine Vierkantmutter, eine Doppelbrcke und ein gekerbtes Kreuz. Der
Aufbau einer 3D-Struktur mit dieser Methode klingt kompliziert, doch hat die Arbeitsgruppe ein Programm geschrieben, das die Herstellung einer komplexen Struktur an einem
Tag mglich macht.[15]
Noch bemerkenswerter ist, dass die gleiche Gruppe eine
Mglichkeit gefunden hat, die oben erwhnten Wabenstrukturen zu biegen, um verdrillte und gekrmmte nanoskalige
3D-Systeme aufzubauen.[13] Dies ist vor allem interessant,
weil doppelstrngige DNA normalerweise eine stabile, gerade Struktur ausbildet. Daher eignen sich die vorher geschil-
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Angew. Chem. 2009, 121, 9570 – 9572
Angewandte
Chemie
Abbildung 2. Aufbau eines 3D-DNA-Origami mithilfe von HollidayStrukturen. Da die Schraubenlinie des DNA-Strangs sich ber je 7 bp
um 2408 dreht, kommt es bei 14 bp zu einer Rotation um 1208 plus
3608 und bei 21 bp zu einer Rotation von 08 plus zweimal 3608. Die
Holliday-Strukturen sind daher um 1208 gegeneinander versetzt, sodass der DNA-Duplex mit drei anderen Duplexen wechselwirken kann.
derten Methoden fast nur, um Architekturen mit geraden
Linien aufzubauen; Krmmungen kommen kaum vor.[6e, 7c]
Shih et al. gelang es nun, Krmmungen zu erzeugen und dabei sowohl die Richtung der Verdrillung als auch den Winkel
der Krmmung einzustellen.
Um diese verdrillten und gekrmmten Systeme herzustellen, erzeugten sie die Wabenstruktur wie zuvor, nderten
aber die Lnge der Klammersequenzen. Lagen weniger als
7 bp zwischen den Verknpfungspunkten (Deletion), wurde
die Struktur komprimiert und die DNA berspiralisiert. Mehr
als 7 bp zwischen den Verknpfungspunkten (Insertion)
machten eine Dehnung der Einheit erforderlich, damit sie in
die Gesamtstruktur passte, sodass die DNA unterspiralisiert
vorliegen musste. Dies machte eine nderung der Konformation der Wabenstruktur erforderlich, um die wirkenden
Krfte zu kompensieren. Auf diese Weise ließen sich die
entsprechenden Verdrillungen oder Krmmungen erzeugen
(Abbildung 3).
Um die globalen Verdrillungen dieser Systeme zu untersuchen, wurde ein Modell von 60 miteinander verbundenen
DNA-Duplexen, angeordnet in 10 Reihen zu je 6 Helices,
verwendet. Drei Versionen dieses Modells wurden herge-
Abbildung 3. Einfhrung von Verdrillungen und Krmmungen in ein
DNA-Bndel, indem die Abstnde zwischen den Holliday-Strukturen
verndert werden. Fr Einzelheiten siehe Text.
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stellt: Ein System, das keine Verdrillungen aufweisen sollte,
hatte die Holliday-Strukturen gleichmßig alle 7 bp entlang
der 126 bp langen DNA-Duplexe verteilt. In einer zweiten
Version war ein Basenpaar aus jedem dritten Array entfernt.
In diesem Fall enthielt das System berspiralisierte DNASegmente in einem Drittel aller Zellen und hatte eine Lnge
von 120 bp mit einer durchschnittlichen Spiralisierung von
10 bp pro Windung. Die komplementre Version hatte ein
zustzliches Basenpaar in jedem dritten Array. Dadurch
entstand eine Struktur mit unterspiralisierten DNA-Abschnitten, einer Lnge von 132 bp und 11 bp pro Windung.
Jede individuelle Gruppe von DNA-Arrays wurde zu einer
grßeren Struktur polymerisiert, die unter dem Transmissionselektronenmikroskop analysiert werden konnte. Im ersten
Fall waren die entstandenen Bnder gerade und ohne erkennbare Verdrillung. Im Gegensatz dazu waren die Bnder
aus Systemen mit ber- und unterspiralisierten DNA-Abschnitten deutlich verdrillt mit einer insgesamt links- bzw.
rechtsgngigen Drehung.
Die gekrmmten Strukturen wurden mithilfe passender
Gradienten von Insertionen und Deletionen erzielt, wobei
folgender Zusammenhang bercksichtigt wurde: je steiler der
Gradient, desto grßer der Krmmungswinkel. Mit diesem
Ansatz wurden sieben Versionen eines dreireihigen Bndels
mit sechs Helices pro Reihe (3-by-6-bundle) und den Krmmungswinkeln 08, 308, 608, 908, 1208, 1508 und 1808 erhalten.
Schließlich wurde der große Nutzen dieses Ansatzes zur
Herstellung gekrmmter Strukturen anhand von Nanostrukturen mit unterschiedlichen Formen demonstriert (Abbildung 4). So stellten Shih et al. zwei Halbkreise mit drei
Abbildung 4. Beispiele fr das Ergebnis des Biegens von DNA-Bndeln.
„Zhnen“ und einem Radius von 25 nm her, die sich zu einer
zirkulren Struktur mit sechs „Zhnen“ zusammenlagern
konnten. Außerdem gelang es ihnen, das DNA-Bndel zu
einem Viertelkreis zu formen. Dann verbanden sie vier dieser
Bndel zu einem Kreis, der einem zwlfzhnigen Zahnrad
hnelte. Ein anderes interessantes Beispiel ist die Herstellung
einer Spirale: Sechs Segmente eines Bndels aus sechs Helices wurden in Halbkreise mit zunehmenden Krmmungsradien berfhrt. Auch eine oktaedrische Struktur und konkave
und konvexe Dreiecke wurden beschrieben.
Insgesamt hat die Forschungsgruppe um Shih bemerkenswerte Beitrge zur Weiterentwicklung des DNA-Origami geleistet, insbesondere zum Einsatz von Holliday-Struk-
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turen, um 2D-Origami in 3D-Formen zu falten, die mit einem
Softwareprogramm entworfen werden knnen. Außerdem
gelang es ihnen, Krmmung und Verdrillung der Wabenstrukturen przise zu manipulieren. Dadurch erffnet sich die
Mglichkeit, komplexere Nanostrukturen zu entwickeln und
die physikalischen Eigenschaften dieser gekrmmten DNAStrukturen zu untersuchen. Diese knnten eines Tages nanomechanische Schlsselkomponenten werden.
Eingegangen am 27. August 2009
Online verffentlicht am 17. November 2009
[7]
[8]
[9]
bersetzt von Dr. Burkard Neuß, Jlich
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